和利時母管制機(jī)組APC優(yōu)化方案及其應(yīng)用

劉德成，李福軍，趙立軍（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

和利時母管制機(jī)組APC優(yōu)化方案及其應(yīng)用

劉德成，李福軍，趙立軍（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

針對母管制機(jī)組一直存在的蒸汽母管壓力難以穩(wěn)定控制的問題，本文提出了一種基于和利時DCS控制系統(tǒng)的APC協(xié)調(diào)控制方案。該方案可以解耦影響鍋爐燃燒的主要因素，優(yōu)化分配鍋爐負(fù)荷，快速平衡鍋爐產(chǎn)汽與外界用汽之間的能量差，達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管壓力的目的?，F(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用證明了該方案的可行性。

母管制；優(yōu)化分配；APC；效益；節(jié)能減排

1 引言

相比單元機(jī)組，母管制機(jī)組除了鍋爐自身燃燒工況變化引起的各種擾動外，還存在著鍋爐之間的相互擾動。這種影響與負(fù)荷變化情況、各爐燃燒特性和各爐在母管中所處的位置等都有關(guān)系。而且即使外部負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，并列鍋爐的燃燒參數(shù)變化也將相互影響，使母管壓力的調(diào)整難度增加。為了保證主裝置生產(chǎn)安全，提高供熱品質(zhì)，運(yùn)行人員只能頻繁手動調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷以盡量保證蒸汽母管壓力穩(wěn)定，但是實(shí)際操作強(qiáng)度較大，而且效果也不理想。

對此，杭州和利時自動化有限公司在多年電力行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以APC控制技術(shù)為核心，提出了母管制機(jī)組APC優(yōu)化解決方案。該方案在CJ(沈陽)熱源廠4臺90t/h低溫低壓循環(huán)流化床鍋爐的母管制機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

2 和利時APC優(yōu)化控制方案總體框架

APC優(yōu)化控制系統(tǒng)是專門針對母管制運(yùn)行機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案，整體框架如圖1。

圖1 APC優(yōu)化控制方案總體框架

它可以實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

（1）實(shí)現(xiàn)鍋爐的全自動運(yùn)行（包括汽水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等），各種參數(shù)更加平穩(wěn)，將操作員從繁重的監(jiān)控中解脫出來。

（2）涉及鍋爐效率的重要參數(shù)壓紅線運(yùn)行（如主汽壓力、主汽溫度、床溫、氧量等），提高鍋爐效率。

（3）自動優(yōu)化風(fēng)煤比，以適應(yīng)煤種的變化，保證燃燒的充分性，降低鍋爐損失（如排煙損失、未完全燃燒損失等）。

（4）燃料預(yù)測優(yōu)化控制，穩(wěn)態(tài)情況下提高控制精度，外界擾動時大幅度提高響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性。

（5）母管制鍋爐負(fù)荷優(yōu)化分配控制，實(shí)現(xiàn)鍋爐產(chǎn)汽與外界用汽之間的相對平衡，對全廠鍋爐的負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配，穩(wěn)定母管壓力，使得綜合效率得到優(yōu)化提高。

3 APC優(yōu)化控制方案關(guān)鍵技術(shù)

APC優(yōu)化控制系統(tǒng)的研發(fā)是建立在行業(yè)專家多年的經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上的，系統(tǒng)中研發(fā)了很多獨(dú)特的新控制技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 新型送風(fēng)調(diào)節(jié)自動控制

鍋爐的燃燒效率與鍋爐的氧含量有直接的關(guān)系，在散熱損失與灰渣顯熱損失相對不變的情況下，如果氧量過低，排煙損失q2雖然較低，但是機(jī)械未完全燃燒損失q4卻很高，總體效率還是較低。如果氧量過高，排煙損失q2明顯增高，即使機(jī)械未完全燃燒損失q4較低，但是總體效率依然較低，具體氧含量與鍋爐效率損失可用圖2所示的曲線表達(dá)。

圖2 鍋爐氧含量與效率損失曲線圖

從圖2中可以肯定的是，燃燒過程中存在一個最佳氧含量，使得q2+q4最小。基于這個理論，我們在系統(tǒng)中植入自動尋優(yōu)模型，在燃煤熱值相對穩(wěn)定的情況下自動啟動尋優(yōu)程序，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的尋優(yōu)步長與尋優(yōu)時間來完成尋優(yōu)過程，進(jìn)而找到最佳風(fēng)煤配比系數(shù)K1，利用優(yōu)化系數(shù)K來修正送風(fēng)調(diào)節(jié)回路，使得鍋爐效率最高。當(dāng)煤種發(fā)生變化，使得燃煤熱值超出相對穩(wěn)定區(qū)域時，系統(tǒng)將再次自動啟動尋優(yōu)程序，在最短的時間內(nèi)尋找最佳風(fēng)煤配比系數(shù)Kn，通過該系數(shù)指導(dǎo)送風(fēng)調(diào)節(jié)回路，將系統(tǒng)重新調(diào)整到最高效率的狀態(tài)。

3.2 新型引風(fēng)調(diào)節(jié)自動控制

鍋爐運(yùn)行過程中，引風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行是保證鍋爐安全燃燒的最主要因素。故而在大多數(shù)熱電廠，由于引風(fēng)機(jī)是擋板調(diào)節(jié)，考慮到安全因素運(yùn)行人員寧可選擇手動調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對運(yùn)行人員對投入引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)顧慮的問題，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中使用了專家系統(tǒng)引風(fēng)自動調(diào)節(jié)安全策略，保證了引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性，主要包括：

? 設(shè)置自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)指令限制自投切算法；

? 設(shè)置暫態(tài)/穩(wěn)態(tài)區(qū)域，抑制系統(tǒng)的自振；

? 設(shè)置雙側(cè)風(fēng)機(jī)負(fù)荷（電流）自平衡系統(tǒng)，防止風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速區(qū)域；

? 前饋回路專家策略，快速消除內(nèi)外擾動。傳統(tǒng)引風(fēng)調(diào)節(jié)與新型引風(fēng)調(diào)節(jié)參數(shù)對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)引風(fēng)調(diào)節(jié)與新型引風(fēng)調(diào)節(jié)參數(shù)對比表

3.3 燃料預(yù)測優(yōu)化控制

在燃燒系統(tǒng)進(jìn)入相對穩(wěn)態(tài)時，即同時滿足下列條件:

? 主蒸汽壓力設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.02MPa；

? 主蒸汽流量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于2t/h；

? 鍋爐含氧量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.5%；

? 鍋爐床溫設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于3℃；

當(dāng)4個條件同時滿足時，系統(tǒng)判定鍋爐已經(jīng)進(jìn)入相對穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)自動記憶當(dāng)前的主蒸汽流量和煤量，并自動計(jì)算預(yù)測單位煤量產(chǎn)汽率F0，并且F0是連續(xù)滾動優(yōu)化的動態(tài)數(shù)據(jù)。通過單位煤量產(chǎn)汽率F0指導(dǎo)煤量控制，既保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，又增加了系統(tǒng)響應(yīng)外界負(fù)荷的速度和準(zhǔn)確度。

3.4 經(jīng)濟(jì)床溫綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐的床溫高低將直接影響鍋爐的燃燒效率，床溫越高，燃燒越充分，換熱效率越高，當(dāng)然床溫太高對鍋爐的安全也將產(chǎn)生很大的威脅，相應(yīng)的散熱損失也將增加，所以床溫控制必須和氧量控制協(xié)調(diào)考慮。另外床溫的大幅度波動也是造成CFB鍋爐結(jié)焦的主要原因，所以床溫控制要兼顧穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

循環(huán)流化床鍋爐床溫控制采用床溫與氧量協(xié)調(diào)控制的基本思想，而且是一次風(fēng)，二次風(fēng)，燃料協(xié)調(diào)控制，這樣既可以保證床溫和氧量控制的穩(wěn)定性和快速性，又可保證鍋爐的效率最高。具體經(jīng)濟(jì)床溫函數(shù)如表2所示。

表2 鍋爐負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)床溫的對應(yīng)函數(shù)表

3.5 鍋爐運(yùn)行模式控制策略

一般情況下鍋爐燃燒控制主要調(diào)節(jié)鍋爐出口壓力，并不響應(yīng)汽機(jī)、臨爐、供熱的負(fù)荷變化以及母管壓力的波動，所以鍋爐燃燒之間容易發(fā)生互擾與震蕩，母管壓力控制無法實(shí)現(xiàn)解耦。而APC優(yōu)化協(xié)調(diào)控制模式下，不但要控制本爐的出口壓力，還要進(jìn)行鍋爐與汽機(jī)的智能解耦，優(yōu)化分配鍋爐負(fù)荷，兩種模式的對比簡圖如圖3所示。

圖3 單爐模式與協(xié)調(diào)模式對比圖

3.6 智能權(quán)數(shù)分配專家系統(tǒng)

智能權(quán)數(shù)分配專家系統(tǒng)是建立在對主蒸汽母管結(jié)構(gòu)參數(shù)，母管上鍋爐、汽機(jī)以及熱用戶陣列方式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上的。沿程阻力K=λLv2/(2gd)，由此得到阻力K與管道長度L成正比、與管道直徑成反比。根據(jù)管道損失K最低原則，按照“就近”思想設(shè)計(jì)負(fù)荷分配，通過智能分配各臺鍋爐的權(quán)重系數(shù)，減少蒸汽在母管內(nèi)的橫向流動，減少管道阻力損失，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)并消除擾動因素。

4 APC優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

CJ（沈陽）熱源廠通過使用和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐從45%~105%負(fù)荷的全自動運(yùn)行，蒸汽母管壓力的波動范圍大幅度減小，床溫、氧量等參數(shù)控制也更加平穩(wěn)，應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期要求，具體的運(yùn)行參數(shù)曲線對比如圖4、圖5所示。

圖4 手動調(diào)節(jié)（8小時），波動0.21MPa左右

圖5 自動調(diào)節(jié)（8小時），波動小于0.04MP

CJ（沈陽）熱源廠投入和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)前的手動控制模式與投入APC優(yōu)化控制系統(tǒng)后的優(yōu)化控制模式下，兩種模式重要參數(shù)及性能指標(biāo)對比如表3所示。

表3 手動控制模式與優(yōu)化控制模式參數(shù)與指標(biāo)對比

該項(xiàng)目帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益：

? 鍋爐綜合效率提高≥1.5%；

? 產(chǎn)汽標(biāo)煤耗節(jié)?。ㄒ?500大卡標(biāo)煤折算）≥2.1kg/t ；

? 直接經(jīng)濟(jì)效益估算（一年按300天算）≥2.1×90×4×24×300×500元/t=272.1萬/年；

? 降低運(yùn)行操作人員的勞動強(qiáng)度；

? 投入優(yōu)化后的減員增效；

? 參數(shù)控制穩(wěn)定后減少金屬管道的蠕變沖擊，延長設(shè)備壽命。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，行業(yè)競爭的日趨激烈，熱電廠用戶對于設(shè)備安全性的要求越來越高，這就要求母管制機(jī)組的熱電廠對于供給的蒸汽品質(zhì)要有更高的保證，簡單地依靠操作管理人員頻繁手動調(diào)節(jié)蒸汽負(fù)荷，既增加勞動強(qiáng)度又無法可靠的保證供熱品質(zhì)，采用和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)可以很好地解決鍋爐汽機(jī)的耦合，解決鍋爐之間的互擾，快速響應(yīng)鍋爐汽機(jī)以及負(fù)荷的變化，穩(wěn)定蒸汽母管壓力，提高供熱品質(zhì)，解決母管制機(jī)組多年來的困擾，帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

The Hollysys APC Optimal Scheme and Its Application for Header System Unit

Aiming at unstable steam pressure of header system unit, an APC coordinated control scheme is proposed on the basis of the Hollysys control system in this paper. In order to stabilize header steam pressure, this scheme is able to decouple the main factors affecting the boiler combustion, optimize distribution of the load, and balance steamy energy difference between production and use. Feasibility of the scheme is proved by the practical application.

Header system; Optimize and distribute; APC; Benefit; Energysaving emission reduction

劉德成（1972-），男，吉林磐石人，本科，工程師，現(xiàn)就職于北京和利時集團(tuán)，主要研究方向?yàn)殡娏π袠I(yè)集散控制。

B

1003-0492(2014)03-0068-03

TP273

李福軍（1982-），男，寧夏惠農(nóng)人，本科，工程師，現(xiàn)就職杭州和利時自動化有限公司，主要研究方向?yàn)榧⒖刂葡到y(tǒng)及電力行業(yè)鍋爐自動化控制。

趙立軍（1972-），男，吉林松原人，本科，工程師，現(xiàn)就職北京和利時集團(tuán)，主要研究方向?yàn)闊犭婂仩t優(yōu)化控制。